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輸配電系統(tǒng)雷擊方式及放電路徑的研究

文檔作者：郭玉鋒弓耀波文檔來源：中石油天然氣股份有限公司油田分公司煉油化工總廠配電車間，		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月14日
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輸配電系統(tǒng)雷擊方式及放電路徑的研究
郭玉鋒弓耀波(中石油天然氣股份有限公司t,f7油田分公司煉油化工總廠配電車間，甘肅t,f-J 735200)
摘要：夏季的強(qiáng)對流天氣極易形成雷電，當(dāng)閃電擊中輸配電
線路時會注入巨大的能量，而雷擊電流激波會通過輸電線路傳
播使得過電壓保護(hù)繼電器動作造成電力輸送的中斷，對供電品
質(zhì)造成重大影響。本文將從雷擊形成的原因、雷擊放電路徑及
雷擊分類三個方面分析不同雷擊現(xiàn)象對輸配電系統(tǒng)的影響，以
更接近實際雷擊電流設(shè)計出合理的避雷設(shè)備。
關(guān)鍵詞：雷擊方式；放電路徑；避雷設(shè)備；雷擊成因；雷擊
突波
雷暴天氣在地球上常發(fā)生于赤道及熱帶地區(qū)夏季午后的
強(qiáng)對流天氣，隨著雷暴天氣發(fā)生概率的增加，使得發(fā)生雷擊的
次數(shù)相應(yīng)增加，本文通過分析雷電的閃絡(luò)路徑、極性定義四種
不同的雷擊方式，并分析雷擊對于建筑物、用電設(shè)備及生物造
成的傷害。
1雷電云層的形成
當(dāng)?shù)乇硭蛛S著氣溫的升高被蒸發(fā)時，形成的上升氣流會
在高空凝結(jié)形成積雨云層，暖空氣團(tuán)中夾帶著大量水蒸氣繼續(xù)
在云層中上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)云層最上層時溫度約為-30。C，水蒸汽會
凝結(jié)成冰粒。當(dāng)冰粒過大時會在重力作用下下落，在此冰粒上
升與大冰粒下降的劇烈氣流擾動過程中，正負(fù)電荷被分離并積
存在云中，形成雷雨冰雹，隨著時間的延長及冰粒上升下降運
動的持續(xù)，電荷不斷的積累。根據(jù)以往研究，一般雷云大小高
度為8-12公里，上層為高密度的冷空氣，下層為潮濕的暖空
氣。其中的冰晶(帶正電)及水蒸氣(帶負(fù)電)通過氣流的作用后，
電荷就會被分離分布在雷云的特定位置。正電荷會分布在云
上端，而負(fù)電荷則集中在下半部，并且一部分正電荷會散落在
底端，整個云層就像一個上正下負(fù)的巨型蓄電池。
2前道閃擊與回復(fù)閃擊
閃電看似是瞬間發(fā)生的現(xiàn)象，其實閃電的產(chǎn)生過程是相當(dāng)
復(fù)雜的。首先當(dāng)云層電荷持續(xù)累積的同時會通過感應(yīng)的方式，
把地表中的異電荷吸引到附近區(qū)域(地表的電荷量與云層間的
電荷量成正比)，如此該云層和地表就會有一個電勢差存在。由
于空氣的絕緣特性，所以剛開始不會放電。當(dāng)電勢大到足以破
壞中間空氣的絕緣時，帶電云層會因電荷的作用將臨近空氣電
離，使其具有導(dǎo)電能力。然后，電荷以步階方式逐漸向地面延
伸，這一現(xiàn)象稱為前導(dǎo)步階閃擊。
當(dāng)前導(dǎo)步階閃擊逐漸接近地面時，在強(qiáng)電場作用下，物體
曲率大的地方，等電位面密度、電廠強(qiáng)度劇增，致使內(nèi)部空氣會
向上移動與向下延伸的云層所帶電荷會和，這兩者連接時便形
成電流通道，即產(chǎn)生正負(fù)電荷激烈的中和現(xiàn)象。這個過程時間
為數(shù)微秒且發(fā)出極強(qiáng)烈的光。如果云層蓄積的能量足夠大時，
云層內(nèi)會再釋放出類似前道閃擊的現(xiàn)象。沿著之前的回復(fù)閃
擊路徑再發(fā)生第二次回復(fù)閃擊中和兩端能量。當(dāng)發(fā)生兩次以
上的回復(fù)閃擊時，稱之為復(fù)擊雷電，當(dāng)出現(xiàn)多次復(fù)擊雷電時就
形成『l為電。
3放電路徑
閃電會以四種方式出現(xiàn)，分別為：云間放電、云對云放電、
云對地放電(或地對云放電)以及云對大氣放電。一般而言雖然
雪暴、沙暴或者是火山爆發(fā)都有可能發(fā)生閃電，但閃電大部分
均來自雷暴。上述四種閃絡(luò)途徑以云對地的放電對我們影響
最大，因為巨大的能量將直接透過建筑物或動植物泄放到大
地。將云對地的放電細(xì)分又可分由極性與方向歸類：正極雷、
負(fù)極雷與上行雷、下行雷。極性的判別是由前導(dǎo)閃擊通道所攜
帶的電荷極性決定的，方向則是由放電路徑中分叉方向判定。
但不論哪一種極性，方向，雷擊對建筑物、用電設(shè)備及生物都會
造成傷害。
4雷擊分類
由于雷擊發(fā)生時，巨大的能量加注在物體上會造成明顯的
傷害，但是快速中和能量的過程意味著空間中的電、磁場也會
迅速變化，會使得臨近的金屬物品感應(yīng)電造成損害，因此如果
以入侵的途徑分類，雷擊可細(xì)分為兩種：
①直接雷擊：指云對地的雷擊，直接透過建筑物、動植物等
形成對地的放電回路。因而使得建筑物、動植物等同一阻抗的
物體流過巨大電流，由雷電產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)
等造成建筑物損壞以及人員傷亡。一般對于直接雷擊的防護(hù)
是通過避雷針(即接閃絡(luò)器、引下線與接地棒)，構(gòu)成完整的電氣
通路后將電流泄入大地。
②感應(yīng)雷擊：避雷針雖能降低直擊雷擊建筑物被擊中的概
率與損壞程度，但雷電仍透過多種形式及途徑破壞電子設(shè)備，
感應(yīng)電便是雷電在雷云之間或雷云對地的放電時，在附近的戶
外傳輸信號線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線和電磁感應(yīng)并侵
入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損壞。感應(yīng)
雷電雖然沒有直擊雷電猛烈，但其發(fā)生的概率比直擊雷電高的
多，直擊雷電只會發(fā)生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災(zāi)
害，而感應(yīng)雷則不論雷云對地閃擊或者雷云對雷云之間的閃
擊，都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。此外，直擊雷一次只能一個小范
圍目標(biāo)，而一次的閃擊可以在較大的范圍內(nèi)同時產(chǎn)生多個局部
感應(yīng)雷過電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)高壓可以通過電力線，電話
線等傳輸?shù)暮苓h(yuǎn)，致使危害范圍擴(kuò)大。
5結(jié)語
本文首先對雷電云層的形成進(jìn)行了分析，得到了雷電云層
中電荷的分布情況。在此基礎(chǔ)上，對閃電現(xiàn)象的形成進(jìn)行了分
析，著重的構(gòu)成閃電的前道閃擊與回復(fù)閃擊之間的關(guān)系進(jìn)行了
分析，并對云間的擊中放電方式及放電路徑進(jìn)行了闡述。最
后，本文對雷擊的分類進(jìn)行了探討，著重分析直接雷擊及感應(yīng)
雷擊的區(qū)別及危害，以此為防雷、避雷設(shè)備的設(shè)計提供參考。

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